L’hélice d’avion se compose de deux ou plusieurs pales et d’un moyeu central auquel les pales sont attachées. Chaque pale d’une hélice d’avion est essentiellement une aile rotative. En raison de leur construction, les pales de l’hélice sont comme des profils aérodynamiques et produisent des forces qui créent la poussée pour tirer ou pousser l’avion dans les airs. Le moteur fournit la puissance nécessaire pour faire pivoter les pales de l’hélice dans l’air à grande vitesse, et l’hélice transforme la puissance rotative du moteur en poussée vers l’avant.

Une section d’une pale d’hélice typique est indiquée dans

comparable à une section d’une aile d’avion. Une surface de la lame est cambrée ou incurvée, similaire à la surface supérieure d’une aile d’avion, tandis que l’autre surface est plate comme la surface inférieure d’une aile. La ligne d’accords est une ligne imaginaire tracée à travers la lame depuis son bord d’attaque jusqu’à son bord de fuite. Comme dans une aile, le bord d’attaque est le bord épais de la lame qui rencontre l’air lors de la rotation de l’hélice.

L’angle de la lame, généralement mesuré en degrés, est l’angle entre la membrure de la lame et le plan de rotation et est mesuré en un point spécifique le long de la longueur de la lame. [Figure 4-36] Parce que la plupart des hélices ont une « face » à lame plate, la ligne d’accord est souvent tracée le long de la face de la pale de l’hélice. Le pas n’est pas un angle de lame, mais comme le pas est largement déterminé par l’angle de la lame, les deux termes sont souvent utilisés de manière interchangeable. Une augmentation ou une diminution de l’un est généralement associée à une augmentation ou une diminution de l’autre.

Le pas d’une hélice peut être désigné en pouces. Une hélice désignée comme « 74-48 » aurait une longueur de 74 pouces et aurait un pas effectif de 48 pouces. Le pas est la distance en pouces, que l’hélice visser dans l’air en un tour s’il n’y avait pas de glissement.

Lors de la spécification d’une hélice à pas fixe pour un nouveau type d’avion, le constructeur en sélectionne généralement un avec un pas qui fonctionne efficacement à la vitesse de croisière attendue de l’avion. Chaque hélice à pas fixe doit être un compromis car elle ne peut être efficace qu’à une seule combinaison de vitesse et de tours par minute (tr/min) donnée. Les pilotes ne peuvent pas changer cette combinaison en vol.

Lorsque l’avion est au repos au sol avec le moteur fonctionnant ou se déplaçant lentement au début du décollage, l’efficacité de l’hélice est très faible car l’hélice est empêchée d’avancer avec une vitesse suffisante pour permettre à ses pales à pas fixe d’atteindre leur pleine efficacité. Dans cette situation, chaque pale d’hélice tourne dans l’air à un AOA qui produit relativement peu de poussée pour la quantité de puissance requise pour la faire tourner.

Pour comprendre l’action d’une hélice, considérez d’abord son mouvement, qui est à la fois en rotation et en avant. Comme le montrent les vecteurs des forces d’hélice de la figure 4-36, chaque section d’une pale d’hélice se déplace vers le bas et vers l’avant. L’angle auquel cet air (vent relatif) frappe la pale de l’hélice est son AOA. La déviation de l’air produite par cet angle fait que la pression dynamique du côté moteur de la pale d’hélice est supérieure à la pression atmosphérique, créant ainsi une poussée.

La forme de la lame crée également une poussée car elle est cambrée comme la forme d’un profil aérodynamique d’une aile. Lorsque l’air passe au-delà de l’hélice, la pression d’un côté est inférieure à celle de l’autre. Comme dans une aile, une force de réaction est produite dans le sens de la moindre pression. Le flux d’air au-dessus de l’aile a moins de pression et la force (levage) est vers le haut. Dans le cas de l’hélice, qui est montée dans un plan vertical au lieu d’un plan horizontal, la zone de diminution de la pression est devant l’hélice et la force (poussée) est dans une direction avant. Aérodynamiquement, la poussée est le résultat de la forme de l’hélice et de l’AOA de la pale.

La poussée peut également être considérée en termes de masse d’air traitée par l’hélice. En ces termes, la poussée est égale à la masse d’air traitée multipliée par la vitesse de glissement moins la vitesse de l’avion. La puissance dépensée pour produire la poussée dépend du taux de mouvement de la masse d’air. En moyenne, la poussée représente environ 80 % du couple (puissance totale absorbée par l’hélice). Les 20 % restants sont perdus en friction et en dérapage. Pour toute vitesse de rotation, la puissance absorbée par l’hélice équilibre la puissance délivrée par le moteur. Pour n’importe quel tour de l’hélice, la quantité d’air traitée dépend de l’angle de la pale, qui détermine la taille d’une « morsure » d’air de l’hélice. Ainsi, l’angle de la pale est un excellent moyen de régler la charge sur l’hélice pour contrôler le régime moteur.

L’angle de la lame est également une excellente méthode de réglage de l’AOA de l’hélice. Sur les hélices à vitesse constante, l’angle de la pale doit être ajusté pour fournir l’AOA le plus efficace à toutes les vitesses du moteur et de l’avion. Les courbes de portance et de traînée, qui sont dessinées pour les hélices, ainsi que les ailes, indiquent que l’AOA le plus efficace est petit, variant de +2° à +4°. L’angle réel de la lame nécessaire pour maintenir ce petit AOA varie avec la vitesse vers l’avant de l’avion.

Les hélices à pas fixe et réglables au sol sont conçues pour une meilleure efficacité à une seule rotation et à une vitesse de marche avant. Ils sont conçus pour une combinaison d’avions et de moteurs donnée. Une hélice peut être utilisée qui offre une efficacité maximale pour le décollage, la montée, la croisière ou le vol à grande vitesse. Toute modification de ces conditions entraîne une baisse du rendement de l’hélice et du moteur. Étant donné que l’efficacité de n’importe quelle machine est le rapport entre la puissance utile et l’entrée de puissance réelle, l’efficacité de l’hélice est le rapport entre la puissance de poussée et la puissance de freinage. L’efficacité de l’hélice varie de 50 à 87 %, selon la quantité de « glissades » de l’hélice.

Le glissement de l’hélice est la différence entre le pas géométrique de l’hélice et son pas effectif. [Figure 4-37] Le pas géométrique est la distance théorique qu’une hélice doit avancer en un tour ; La hauteur effective est la distance qu’il avance réellement. Ainsi, le pas géométrique ou théorique est basé sur aucun glissement, mais le pas réel ou effectif inclut le glissement de l’hélice dans l’air.

La raison pour laquelle une hélice est « tordue » est que les parties externes des pales de l’hélice, comme toutes les choses qui tournent autour d’un point central, se déplacent plus rapidement que les parties près du moyeu. [Figure 4-38] Si les lames avaient le même pas géométrique sur toute leur longueur, des parties près du moyeu pourraient avoir un AOA négatif tandis que les pointes d’hélice seraient calées à la vitesse de croisière. La torsion ou les variations du pas géométrique des pales permettent à l’hélice de fonctionner avec un AOA relativement constant sur sa longueur en vol de croisière. Les pales d’hélice sont tordues pour modifier l’angle de la pale proportionnellement aux différences de vitesse de rotation sur la longueur de l’hélice, en gardant la poussée plus presque égalisée sur cette longueur.

Habituellement, 1° à 4° offre le rapport portance/glissage le plus efficace, mais en vol, l’hélice AOA d’une hélice à pas fixe varie, normalement de 0° à 15°. Cette variation est causée par des changements dans le flux d’air relatif, qui à leur tour résulte de changements de vitesse d’aéronef. Ainsi, l’hélice AOA est le produit de deux mouvements : la rotation de l’hélice autour de son axe et son mouvement vers l’avant.

Une hélice à vitesse constante maintient automatiquement l’angle de la pale ajusté pour une efficacité maximale pour la plupart des conditions rencontrées en vol. Pendant le décollage, lorsque la puissance et la poussée maximales sont requises, l’hélice à vitesse constante est à un angle ou un pas de la pale d’hélice. L’angle de la lame bas maintient l’AOA petit et efficace par rapport au vent relatif. Dans le même temps, il permet à l’hélice de gérer une masse d’air plus petite par tour. Cette charge légère permet au moteur de tourner à un régime élevé et de convertir la quantité maximale de carburant en énergie thermique dans un temps donné. Le régime élevé crée également une poussée maximale car, bien que la masse d’air traitée par tour soit faible, le régime et la vitesse de glissement soient élevés, et avec la faible vitesse de l’avion, il y a une poussée maximale.

Après le décollage, à mesure que la vitesse de l’avion augmente, l’hélice à vitesse constante passe automatiquement à un angle (ou pas) plus élevé. Encore une fois, l’angle de lame plus élevé maintient l’AOA petit et efficace par rapport au vent relatif. L’angle plus élevé de la lame augmente la masse d’air traité par tour. Cela diminue le régime moteur, réduisant la consommation de carburant et l’usure du moteur et maintient la poussée au maximum.

Une fois que la montée au décollage est établie dans un avion doté d’une hélice à pas contrôlable, le pilote réduit la puissance de sortie du moteur pour augmenter la puissance en diminuant d’abord la pression du collecteur, puis en augmentant l’angle de la lame pour abaisser le régime.

À l’altitude de croisière, lorsque l’avion est en vol en palier et qu’il faut moins de puissance que ce qui est utilisé au décollage ou à la montée, le pilote réduit à nouveau la puissance du moteur en réduisant la pression du collecteur, puis en augmentant l’angle de la lame pour réduire le régime. Encore une fois, cela fournit une exigence de couple pour correspondre à la puissance réduite du moteur. Bien que la masse d’air traitée par tour soit plus importante, elle est plus que compensée par une diminution de la vitesse de glissement et une augmentation de la vitesse. L’AOA est encore petit car l’angle de la lame a été augmenté avec une augmentation de la vitesse.

4.8.1 Couple et facteur P #

Pour le pilote, le « couple » (la tendance à gauche de l’avion) est composé de quatre éléments qui provoquent ou produisent un mouvement de torsion ou de rotation autour d’au moins un des trois axes. Ces quatre éléments sont : la réaction de couple du moteur et de l’hélice, l’effet de liège du slip, l’action gyroscopique de l’hélice et le chargement asymétrique de l’hélice (facteur P).

4.8.2 Réaction de couple #

La réaction de couple implique la troisième loi de la physique de Newtons – pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Tel qu’appliqué à l’aéronef, cela signifie qu’à mesure que les parties internes du moteur et l’hélice tournent dans une direction, une force égale tente de faire tourner l’avion dans la direction opposée. [Figure 4-39]

Lorsque l’avion est en vol, cette force agit autour de l’axe longitudinal, tendant à faire rouler l’avion. Pour compenser la tendance au roulis, certains des avions plus anciens sont truqués de manière à créer davantage de portance sur l’aile qui est forcée vers le bas. Les avions les plus modernes sont conçus avec le décalage du moteur pour contrer cet effet de couple.

Remarque : la plupart des moteurs d’avion construits aux États-Unis font tourner l’hélice dans le sens des aiguilles d’une montre, vu du siège du pilote. La discussion ici est en référence à ces moteurs.

En règle générale, les facteurs de compensation sont définis de manière permanente afin qu’ils compensent cette force à la vitesse de croisière, car la plupart des avions exploitant la portance sont à cette vitesse. Cependant, les pattes de garniture d’aileron permettent un réglage supplémentaire pour les autres vitesses.

Lorsque les roues de l’avion sont au sol pendant le décollage, un moment de rotation supplémentaire autour de l’axe vertical est induit par une réaction de couple. Comme le côté gauche de l’avion est forcé de baisser par la réaction de couple, un poids accru est placé sur le train d’atterrissage principal gauche. Il en résulte plus de frottements au sol, ou de traînée, sur le pneu gauche qu’à droite, provoquant un autre moment de virage vers la gauche. L’ampleur de ce moment dépend de nombreuses variables. Certaines de ces variables sont : la taille et la puissance du moteur, la taille de l’hélice et le régime, la taille de l’avion et l’état de la surface du sol.

Ce moment de lacet sur le rouleau de décollage est corrigé par les pilotes d’une utilisation appropriée de la garniture de gouvernail ou de gouvernail.

4.8.3 Effet tire-bouchon #

La rotation à grande vitesse d’une hélice d’avion donne un tire-bouchon ou une rotation en spirale au glissière. À des vitesses d’hélice élevées et à une vitesse d’avancement faible (comme dans les décollages et les approches des décrochages électriques), cette rotation en spirale est très compacte et exerce une forte force latérale sur la surface verticale de l’avion. [Figure 4-40]

Lorsque ce glissade en spirale frappe l’aileron vertical, cela provoque un moment de rotation autour de l’axe vertical de l’avion. Plus la spirale est compacte, plus cette force est importante. Cependant, à mesure que la vitesse vers l’avant augmente, la spirale s’allonge et devient moins efficace. Le flux de tire-bouchon du glissade provoque également un moment de roulement autour de l’axe longitudinal.

Notez que ce moment de roulement causé par le flux de tire-bouchon du glissade est à droite, tandis que le moment de roulement causé par la réaction de couple est à gauche, en fait, l’un peut contrecarrer l’autre. Cependant, ces forces varient considérablement et il est de la responsabilité des pilotes d’appliquer les mesures correctives appropriées en utilisant les commandes de vol à tout moment. Ces forces doivent être contrecarrées, quelle que soit la plus importante à l’époque.

4.8.4 Action gyroscopique #

Avant de comprendre les effets gyroscopiques de l’hélice, il est nécessaire de comprendre le principe de base d’un gyroscope. Toutes les applications pratiques du gyroscope sont basées sur deux propriétés fondamentales de l’action gyroscopique : la rigidité dans l’espace et la précession. Celui qui intéresse cette discussion est la précession.

La précession est l’action ou la déviation résultante d’un rotor de rotation lorsqu’une force de déviation est appliquée à sa jante. Comme on peut le voir sur la figure 4-41, lorsqu’une force est appliquée, la force résultante prend effet 90° avant et dans le sens de rotation.

L’hélice en rotation d’un avion fait un très bon gyroscope et a donc des propriétés similaires. Chaque fois qu’une force est appliquée pour dévier l’hélice hors de son plan de rotation, la force résultante est de 90° en avant et dans le sens de rotation et dans le sens d’application, provoquant un moment de tangage, un moment de lacet ou une combinaison des deux en fonction du point auquel la force a été appliquée.

Cet élément d’effet de couple a toujours été associé et considéré comme plus important dans les avions de type roue arrière, et se produit le plus souvent lorsque la queue est relevée pendant le décollage. [Figure 4-42] Ce changement d’attitude de hauteur a le même effet que l’application d’une force au sommet du plan de rotation des hélices. La force résultante agissant à 90° vers l’avant provoque un moment de lacet vers la gauche autour de l’axe vertical. La magnitude de ce moment dépend de plusieurs variables, dont l’une est la brusquerie avec laquelle la queue est relevée (quantité de force appliquée). Cependant, la précession, ou action gyroscopique, se produit lorsqu’une force est appliquée à n’importe quel point sur le bord du plan de rotation des hélices ; La force résultante sera toujours à 90° du point d’application dans le sens de rotation. Selon l’endroit où la force est appliquée, l’avion est amené à braquer à gauche ou à droite, à monter ou à descendre, ou à une combinaison de tangage et de lacet.

On peut dire qu’à la suite d’une action gyroscopique, tout flexion autour de l’axe vertical entraîne un moment de tangage, et tout tangage autour de l’axe latéral se traduit par un moment de lacet. Pour corriger l’effet de l’action gyroscopique, il est nécessaire pour le pilote d’utiliser correctement l’ascenseur et le gouvernail pour éviter les tangages et les lacets indésirables.

4.8.5 Chargement asymétrique (facteur P) #

Lorsqu’un avion vole avec un AOA élevé, la « morsure » de la lame descendante est supérieure à la « morsure » de la lame qui se déplace vers le haut. Cela déplace le centre de la poussée vers la droite de la zone du disque d’hélice, provoquant un moment de lacet vers la gauche autour de l’axe vertical. Pour prouver que cette explication est complexe car il faudrait travailler les problèmes de vecteur de vent sur chaque pale tout en tenant compte à la fois de l’AOA de l’avion et de l’AOA de chaque pale.

Ce chargement asymétrique est causé par la vitesse résultante, qui est générée par la combinaison de la vitesse de la pale d’hélice dans son plan de rotation et de la vitesse de l’air passant horizontalement à travers le disque d’hélice. L’avion étant piloté à AOA positif, la lame droite (vue de l’arrière) ou descendante est en train de traverser une zone de vitesse résultante qui est supérieure à celle qui affecte la lame gauche ou ascendante. Étant donné que la pale d’hélice est un profil aérodynamique, une vitesse accrue signifie une augmentation de la portance. La lame de downswing a plus de portance et a tendance à tirer (lac) le nez de l’avion vers la gauche.

Lorsque l’avion vole à un AOA élevé, la lame qui se déplace vers le bas a une vitesse résultante plus élevée, créant plus de portance que la lame qui se déplace vers le haut. [Figure 4-43] Cela pourrait être plus facile à visualiser si l’arbre d’hélice était monté perpendiculairement au sol (comme un hélicoptère). S’il n’y avait aucun mouvement d’air, sauf celui généré par le

L’hélice elle-même, les sections identiques de chaque pale auraient la même vitesse. Avec l’air se déplaçant horizontalement à travers cette hélice montée verticalement, la lame avançant dans le flux d’air a une vitesse anémométrique plus élevée que la pale qui se retire avec le flux d’air. Ainsi, la lame qui entre dans le flux d’air horizontal crée plus de portance ou de poussée, déplaçant le centre de la poussée vers cette lame. Visualisez la rotation de l’arbre d’hélice montée verticalement à des angles moins profonds par rapport à l’air en mouvement (comme sur un avion). Cette poussée déséquilibrée devient alors proportionnellement plus petite et continue de diminuer jusqu’à ce qu’elle atteigne la valeur de zéro lorsque l’arbre d’hélice est exactement horizontal par rapport à l’air en mouvement.

Les effets de chacun de ces quatre éléments de couple varient en valeur avec les changements dans les situations de vol. Dans une phase de vol, l’un de ces éléments peut être plus important qu’un autre. Dans une autre phase de vol, un autre élément peut être plus important. La relation entre ces valeurs les unes avec les autres varie selon les avions différents, en fonction de la cellule, des combinaisons de moteurs et d’hélices, ainsi que d’autres caractéristiques de conception. Pour maintenir un contrôle positif de l’avion dans toutes les conditions de vol, le pilote doit appliquer les commandes de vol si nécessaire pour compenser ces valeurs variables.